用SiC JFET技術(shù)徹底改變電路保護

圖1(a)顯示了該SiC JFET的簡化橫截面，在柵源電壓VGS = 0和漏源電壓VDS幾乎為零的情況下。這代表了JFET芯片中數(shù)千個并聯(lián)單元之一，端子標(biāo)記為源、柵和漏。SiC JFET有兩個PN結(jié)，因此有兩個二極管：漏至柵和柵至源，圖中顯示了它們在相應(yīng)PN結(jié)上的疊加。在這種無偏置狀態(tài)下，漏與源之間存在一個導(dǎo)電性極高的通道，允許電子在任意方向自由流動，從而產(chǎn)生了SiC JFET獨特的低導(dǎo)通電阻。

每個PN結(jié)周圍都是一個高度電阻的耗盡區(qū)，因為移動載流子已被排斥出PN結(jié)。圖1中的漏-柵耗盡區(qū)表示為灰色區(qū)域。在(b)中，施加足夠的漏源電壓使電流流動。然而，電流幾乎為零，被由于施加負(fù)柵源電壓而擴展的耗盡區(qū)阻止。當(dāng)這些耗盡區(qū)相遇時，通道被夾斷。

SiC JFET在沒有施加?xùn)旁措妷旱那闆r下是常導(dǎo)(完全導(dǎo)通)的，需要負(fù)的VGS才能切換并保持關(guān)閉狀態(tài)。雖然某些半導(dǎo)體繼電器應(yīng)用受益于這種常導(dǎo)狀態(tài)，但大多數(shù)應(yīng)用需要默認(rèn)的常關(guān)狀態(tài)。常導(dǎo)的SiC JFET適用于這兩種類型，因為通過添加一些簡單的組件，可以在沒有控制電源的情況下保持其在常關(guān)狀態(tài)下。但是，首先，幾個圖表可以幫助理解SiC JFET的結(jié)構(gòu)。

圖2(a)展示了750 V、4.3 m? SiC JFET在TOLL(MO-229)封裝中的輸出特性，部件號為UJ4N075004L8S，測試于室溫。典型部件的柵閾值電壓VG(th) = -6V。

在VGS = -5V時，通道寬度因耗盡區(qū)受到高度限制，因此電流流動受到限制。電流隨VDS略有增加，而JFET處于“飽和”狀態(tài)。在VGS = -4V時，耗盡區(qū)變窄，通道變寬，從而增大了導(dǎo)電性(減少了導(dǎo)通電阻)。該曲線顯示了增加VDS和擴寬耗盡區(qū)的效果，導(dǎo)致輸出特性曲線彎曲，直到電流對VDS的增加幾乎不再變化。另一方面，增加VGS會減小耗盡區(qū)的寬度，從而增大通道寬度，增加導(dǎo)電性。圖中顯示了對應(yīng)于某些VGS值的曲線，一直到+2V，這是最后一個VGS測試電壓。

請注意，在這些圖中，RDS(on)是在VGS = 0V或VGS = +2V下表征的導(dǎo)通電阻。略微正的VGS，例如2到2.5V，進一步縮小了漏-柵的耗盡區(qū)并降低了RDS(on) 15%，具體取決于工作條件。通常稱為過驅(qū)動，這是在不損壞或參數(shù)漂移風(fēng)險的情況下，最小化JFET RDS(on)的一種簡便方法——這又是Qorvo SiC JFET在需要冷卻運行和長壽命的應(yīng)用中的優(yōu)勢。

導(dǎo)通電阻的溫度系數(shù)(TC)為正，結(jié)合通過柵驅(qū)動可控的開關(guān)速度，使得并聯(lián)變得簡單。然而，在選擇部件和決定并聯(lián)數(shù)量時，必須考慮到強TC。即使在高工作溫度下，SiC JFET在每個封裝大小上的導(dǎo)通損耗也遠(yuǎn)低于競爭器件技術(shù)。

圖2(b)顯示了SiC JFET的柵電流與VGS的關(guān)系，其中SiC JFET的柵源二極管處于正向偏置狀態(tài)。溫度依賴的二極管“膝電壓”清晰可見，斜率對應(yīng)于JFET的柵電阻，約為0.4?。VGS的范圍在2到2.6V之間，IG在毫安范圍內(nèi)，溫度范圍從-55到175°C。該圖還顯示了JFET的柵源二極管正向電壓溫度系數(shù)為-3.2 mV/°C，這可用于通過簡單的差分放大器電路感測JFET芯片的溫度。

SiC材料可以承受高達(dá)數(shù)百攝氏度的內(nèi)部溫度而不改變參數(shù)，只要能量保持在安全限度內(nèi)。這使得SiC JFET能夠在任何數(shù)量的循環(huán)中切斷非常高的電流，包括短路。電機斷路器和繼電器的緊急切換循環(huán)數(shù)量有限，有時僅為一次。

圖3展示了一種雙向阻斷配置，采用簡單的JFET過驅(qū)動電路。該電路通常是導(dǎo)通的，這意味著在沒有柵驅(qū)動電源時，JFET是導(dǎo)通的。現(xiàn)成的柵驅(qū)動器直接驅(qū)動每個JFET的柵，不需要電壓調(diào)節(jié)。導(dǎo)通狀態(tài)電阻的值取決于所需的JFET柵電流;至少1 mA足以過驅(qū)動JFET柵，而建議使用5 mA或更高的電流以便于在芯片上進行溫度感測。請注意，由于較大的導(dǎo)通狀態(tài)柵電阻，開關(guān)速度相對較慢，但對于許多SCB和繼電器應(yīng)用來說，這種特性是可取的。

JFET柵驅(qū)動器的負(fù)電源電壓范圍為最低-30 V，建議最大值為-12 V，或在數(shù)據(jù)表中指定的SiC JFET最小閾值電壓值下的絕對最大值2 V。正電源電壓取決于所選柵驅(qū)動器的欠壓鎖定(UVLO)額定值。例如，像UCC5304的柵驅(qū)動器可以將VDD設(shè)為低至6 V，從而相應(yīng)地調(diào)整導(dǎo)通狀態(tài)柵電阻。

圖4再次顯示了雙向阻斷配置，采用簡單的JFET過驅(qū)動電路。通過將一個低電壓硅MOSFET與每個JFET串聯(lián)在準(zhǔn)級聯(lián)配置中，達(dá)到了常關(guān)狀態(tài)。現(xiàn)成的柵驅(qū)動器直接驅(qū)動每個JFET的柵，而一個電壓監(jiān)控器控制每個MOSFET，確保它們在柵驅(qū)動電源電壓在工作范圍內(nèi)時保持導(dǎo)通。框圖中的電壓監(jiān)控器監(jiān)測負(fù)柵驅(qū)動電壓，因此MOSFET保持關(guān)閉，直到JFET柵驅(qū)動器可以可靠地將JFET切換為關(guān)閉狀態(tài)?；蛘?，電壓監(jiān)控器可以被柵驅(qū)動器替代。

與圖3中的電路類似，JFET的開關(guān)是通過一個大值的柵電阻完成的。JFET柵源二極管具有2 V到2.5 V的溫度依賴正向電壓。因此，具有3V擊穿電壓(BV)的齊納二極管不會激活，允許6 mA流入每個JFET。

與齊納二極管串聯(lián)的二極管允許柵驅(qū)動器將JFET柵電壓拉低。在正常操作期間，這些二極管和齊納二極管有效地被旁路。它們的主要目的是在缺乏柵驅(qū)動電源的情況下切斷JFET，例如在啟動期間。在這種情況下，隨著交流電源端子上的電壓升高，通常關(guān)MOSFET上的電壓也會升高。當(dāng)電壓超過齊納擊穿電壓加上JFET閾值電壓的幅度時，JFET處于關(guān)閉狀態(tài)，因此不再流動電流，即使交流端子上的電壓達(dá)到幾百伏。

此處的JFET驅(qū)動示例只是眾多可能實現(xiàn)中的一部分。關(guān)鍵點包括：

對于常導(dǎo)和常關(guān)配置的簡單柵驅(qū)動、設(shè)計靈活性、使用現(xiàn)成的柵驅(qū)動器和電路組件。

直接驅(qū)動JFET柵的一個額外特征是利用JFET的柵源二極管進行芯片溫度感測。這種TJ感測方法使用JFET芯片本身，消除了在JFET封裝內(nèi)外需要使用感測二極管或其他設(shè)備的需要。這意味著溫度感測既準(zhǔn)確又響應(yīng)迅速。

圖5顯示了一個差分放大器，用于測量JFET的柵源電壓VGS。它包含了圖4中柵驅(qū)動電路的一部分，盡管為了清晰起見，省略了一些可選組件，例如輸入濾波電容和電壓鉗位二極管。圖5中的放大器具有單位增益，因為VGS在許多內(nèi)置微控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)范圍內(nèi)變化。為了減輕高頻噪聲，使用了電阻-電容濾波器，以平滑放大器輸出，然后將T_SENSE信號傳輸?shù)?a target="_blank">ADC輸入。RC濾波器電容必須盡可能靠近ADC輸入。

該電路只能在JFET導(dǎo)通且被過驅(qū)動時感測JFET芯片的溫度。請注意，調(diào)節(jié)JFET柵電流或柵電源電壓是沒有必要的。

電路保護的未來

想象一下，如今沒有現(xiàn)有的電路保護產(chǎn)品，必須從零開始開發(fā)。在這場市場爭奪戰(zhàn)中，電機斷路器處于一個車道，而半導(dǎo)體斷路器則在另一個車道。哪個能勝出?您對這個問題的答案可能會塑造電路保護的未來。